红外超光谱成像偏振计

红外超光谱成像偏振计
摘要 美国犹他州立大学空间动力学实验室正在制造一台红外超光谱成像偏振计 (HIP) 这台红外超光谱成像偏振计是设计用来在2．7 水渡段对来自云顶的反向散 射太阳光进行高空间和光谱分辨率偏振测定的，它将装在红外特征技术实验飞行飞机 (FIsTA)—— 一架空军KC-135飞机上飞行。这是一台将超光谱推帚式成像技术与高速 固态偏振测定方法相结合、尽可能多地采用市场上畅销的元部件并利用一种光学模 型设计快速制成原型的原理验证敏感仪。它是以一台窗口可选择的256x3201nSb摄像 机、一台固态铁电液晶(FLC)偏振计和一个透射式衍射光栅为基础的。转速计| 水份计| 水份仪| 分析仪| 溶氧计| 电导度计| PH计| 酸碱计| 糖度计| 盐度计| 酸碱度计| 电导计| 水分测定仪|

1 引言 2系统综述 从云顶反向散射的太阳光的线性偏振特性 (度和角度)可以产生与云层粒子相位有关的 大量信息，从中可以得知它们是冰晶、水滴， 还是一种混合物【 。在2 7 m水波段两侧进行 的测量应当是特别有效的，因为在该波段的某 些波长上， 已经经受一次散射的光子应当比反 向散射的光子占优势。在这些(尚未确定)波长 上，偏振度应该是最大的，而且这种偏振中所 包含的信息应该是比较容易分析的。与云粒子 相位有关的信息具有许多潜在的科学应用。通 过以被动遥感方式测定的云层的冰蚀特性及高 度，对于航空、天气预报以及全球气候模型制 作等将是特别有意义的。 超光谱成像偏振计的用途之一，是测定一 次散射的光子的精确波长和对确定云粒子相位 信息所需的数据分析算法进行评价。为了完成 这项工作， 已经确定了一台将把2．5pro一3 5 m 水波段分成64个瞬时子波段的超光谱敏感仪。 得出偏振度和偏振角，需要进行三次或四 次偏振矢量测量。为了给这三次或四次偏振矢 量测量之间的1／10像元相互配准创造条件，已 经设计了一台高速固态液晶偏振计。 下面给出本系统的设计要求。这些要求是 本项目刚开始时所作的一种最佳估计，而随着 初始测量的进行，它们会有所变动。 表1 超光谱成像偏振计的要求 平台 FISTA(KC-135)飞机 测量高度 9km ～ 12km 视场 10。 目标足迹 50m×50m 帧速 20Hz 波段 2．5#m 一3、5 m 瞬时光谱带宽 <20nm 尺寸限制 30cm 宽x60cm 长x45cm高 重量限制 <25kg 功率限制 <2kW@400Hz， 115V 太阳抑制角 <6。 图1示出了超光谱成像偏振计光学头的设 计图。超光谱成像偏振计仪器支架由一个标准 尺寸的FISTA窗口固定架、一个畅销的1 ×2 轻型光具座和一个8 in眼球组成。超光谱成像 偏振计敏感仪由一块太阳抑制挡板、一个2 ZnSCleartran压力窗口、前端狭缝二次成像光学装 置、铁电液晶偏振旋转器、衍射光栅以及带窗 口的InSb摄像机组成。为了帮助识别目标和分 析数据，已添加了一台经过校直的可见光摄像 机。另外，在光具座上安装了一个便于在飞机骨 架弯曲时进行指向校正的三轴光纤陀螺仪(图 FIST^ 固定架、 中没有示出) 这对于把推帚式超光谱图像条带 重新组合成二维图像将是有帮助的。整个光具 座反转12 in，便可以将定标源插在敏感器和窗 口之间。 计算机是一台233MHz奔腾个人计算机，它 有两个可进行热交换的9G字节硬驱动器 计算 - 。 cmu可见光摄像机 图1 超光谱成像偏振计的设计图 机、一个17”平面显示器以及所有的驱动电子 部件均装在标准的16 机架内。该机架内还装 有铁电液晶偏振旋转器的一个温度控制器和一 个可以插在前端组件与窗口之间供飞行定标用 的黑体源。

3 光谱仪设计 为敏感仪超光谱部分选择的设计方案是一 种带一个狭缝和一个色散光栅的标准光谱仪。 图2和图3分别示出了空间平面和光谱平面中 的光路。该系统的光学元件包括 ●前端狭缝二次成像光具。-x~红外双合 透镜和一个50／ml x 7．6mm狭缝产生一维的光谱 仪狭缝和另一维的场狭缝 这个组件是由Steven Turcotte公司设计并由Diversified Optics公司制 造的。
5．8’抻制 5。抑制 HIP挡板 可见光摄像机孔径 ● 固态偏振器叠层。 ● AMPUl透射式衍射光栅，这是一个 6Sg／mm的光栅，它是由Ralcon Optical公司制 造的。 ●红外摄像机透镜，这是一种畅销的25ram 透镜，它也是由Diversified Optics公司制造的。 ●红外摄像机，这是一台256x320 InSb摄 像机，它是由圣巴巴拉焦平面公司制造的。在 该系统设计中加入这种摄像机的一个主要好处 是， 列阵可配备窗口，这样便允许选择和阅读 列阵中较小的子区域。由于我们现在的设计将 只使用一个64x160区域的列阵，所以这使得可 以大大节省所需要的数据记录和处理容量。另 外，当我们了解到更多有关测量的情况时，这 种窗口特点将可以为我们改进和优化系统创造 条件图2 超光谱成像偏振计的空间设计 图3 超光谱成像偏振计的光谱设计 4 固态偏振器设计 由于本设计所需转换速度的缘故，我们已决 定使用一种基于铁电液晶元件的偏振器设计 这是Displaytech公司一种已取得专利的设计。 这些器件通常是用于光闸的，但亦已证明 它 们也适合用作一种高速偏振器的基础[3,41。

铁电液晶元件是可以在两种独立的光轴旋 转态之间进行电学转换的线性偏振减速器。通 过将碟状结构液晶材料两端的电压反向，便可 以在不到：3ms的时间内使光轴旋转45。 这些 较厚的红外器件的旋转速度要比Displaytech公 司的标准器件稍许慢一些 但对于我们的设计 来说已经足够了。 超光谱成像偏振计的偏振涮量要求是线性 偏振的度和角。计算这些参数的一种简便方法 就是使用斯托克斯参数和缪勒计算法[5l6一 斯 托克斯参数可全面地描述入射光束的线性偏振 特性，并可用来计算线性偏振度和角。线性斯 托克斯参数包括源强度I以及正交偏振参数Q 和U三部分。缪勒计算法提供了一种表示光学 元部件偏振特性的简便方法，而且它允许将这 些偏振特性组合起来以建立敏感器级的偏振模 型。这种敏感器模型便可以用来预测敏感器的 性能。 用于导出线性斯托克斯参数的最佳偏振分 析仪结构是一个测量旋转角为0。、60。、120。 的线性偏振器[8】。这种结构提供的对称响应允 许以最好的三个测量旋转角度精确导出入射光 束的斯托克斯参数。遗憾的是，铁电液晶技术 不能提供这些角度。由于硬件上的这一限制因 素，对于超光谱成像偏振计的测量，将采用0。、 45。、90。以及一45。测量旋转角进行。这些测量 角还能够提供良好的对称性，不过还需要附加 一种测量 建立0。、45。、90。以及一45。测量旋转角 所需的元部件为(图4)： 商 黄 罩 薯 畦 囊 Ⅲ 波 粕譬 ● ‘f ， — ＼ 。出 ‘ 至 J t 减速茸。曼q。暖 45晶’ 线性 强譬 f 0 图4 铁电液晶偏振器叠层 入射俯振角(’) = 2 5 模拟的响应 ● 一片沿轴取向为0(未转换)和45(已转 换)的快速半波铁电液晶； ● 一片沿轴取向为0(未转换)和45(已转 换)的快速四分之一波铁电液晶i ● 一个快轴被调整到45。的四分之一波固 定减速器；●一个沿水平方向校直的线栅线性偏振 式中， 矗(P。，P )=作为四分之一波和半波旋转 器。 现已建立了超光谱成像偏振计的线性偏振 响应率模型，并用缪勒计算法计算出了理想的 线性偏振响应。该敏感器级偏振模型是按照各 光学元部件出现的反向次序将其缪勒矩阵放大 而建成的。为了预测敏感器的响应，将最终建 成的敏感器级模型与光源的斯托克斯参数进行 了相乘。
方程(1)给出了该超光谱成像偏振计模 型。注意，方程(1)中的元部件矩阵包含第四行 和列中的圆偏振项 作为某些减速器旋转角的 一种中间态，这些都是需要的，因为入射线性 偏振已被转换成了圆偏振 在最终的敏感器模 型中 圆偏振分量均为零，而且在将偏振模型 乘以输入斯托克斯参数之前被略去了。 的函数的响应矢量 (0)： 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 = 水平线性偏振器的缪勒矩阵 (45) 1 0 0 0 0 0 0 —1 0 0 1 0 0 1 0 0 盂(％ pu)=W(o)OC45)O(p。)百(舶)量 (1) =快轴为45。的四分之一波减速器的缪勒矩阵 H(pu) Q(p。)= 1 0 0 COS(4pH) 0 sin(4pH) 0 0 0 0 COS。(2po) sin(2p。)cos(2p。) sin(2p。) sin(2p。)cos(2p。) sin (2p。) 一cos(2po) 0 一sin(2pQ) cos(2pQ) 0 = 快轴为P。
的四分之一波减速器的缪勒矩阵 0 0 sin(4pH) 0 COs(4pH) 0 0 —1 雪= 的第一单元(强度项)便是方程(2)所给出的敏 冗l R3 冗4 R((P。=0)，(PH=0)) 冗((P。=45)，(PH=0)) R((P。=0)，(PH：45)) 冗((P。=45)，(PH=45)) 感器响应。 冗(P。，PH)= 【L+ 。 + 。 】 (2) 式中， 冗(P。，肌)=作为四分之一波和半波旋转 函数的响应强度 A1=一COs(4pH)sin(2po)+sin(4pH)cos(2po) 2=一sin(4pH)sin(2p。)一COS(4pH)COS(2p。) L， ， =入射光束的斯托克斯参数 方程(3)以矩阵形式给出了四个旋转位置 的响应。 1 — 2 1 0 —1 1 —1 0 1 0 1 1 1 O 『l L 1 【 0 Jl 矗=≯ (式中， 矗为一个旋转“置位 的敏感器响应矢 量， 为斯托克斯偏振器响应率矩阵， 为输 入的斯托克斯矢量。 图5示出了作为入射偏振角的函数的每个 测量旋转的模拟响应。 5偏振计定标 上一节中介绍的偏振模型可以预测理想的 偏振响应。广州市骏凯电子科技有限公司尽管该模型所提供的预测可以用于 设计方面，但是测量方面将要求对已经完全装 配好的敏感器进行细致、精确的定标。这种定 标包括对敏感器的偏振特性以及空间、光谱、辐 射度和时间特性进行全面的表征[ 。它需要一 个辐射度响应方程、一个斯托克斯偏振器逆响 应率(SRIR)矩阵以及各像元的辐射度模型。
辐 射度响应率方程用于将各像元样品的原始像元 响应(计数)变换成实测通量(光谱辐射率)。 方程(6)给出了每个像元的辐射度响应方程 = = [ G {CE{e,a)r(i,e,p}- ，)] 式中。 { )为每个像元的实测光谱辐射率 (Wcm sr m )，虢f )为光谱辐射响应率(计 数／ 一 ㈣ )，rfp)为经过较正的像元 响应(计数)， R( 为像元响应率变化(无单 位)， G ． )为积分模式增益(无单位)， fnl 为线性校正(无单位)一只有当需要时才包 括．GE( )为电子增益(无单位)，r《 ， )为原 始像元响应(计数)， 0“， )为偏差(计数)，P 『J 1 『 3 } { }] 0，Jl=l【 0—1 0 1 l 一 0 0 J 且l R2 R3 式中，I’．Q’，u’为计算出的入射光束的斯托 克斯参数 R ．R。，R3 R 为一个测量“组”的超 光谱成像偏振计响应矢量， 为斯托克斯测 偏振逆响应率矩阵。 方程(6)给出了斯托克斯测偏振逆响应率 矩阵的一般形式。斯托克斯测偏振逆响应率参 K (t ．2) K (Q ．2) u 2) K(I ．3 K (Q ，3 所U,3 为像元，a为列阵，i为积分时间设定，e为电 子增益设定 通过解方程(3)求敏感器响应的斯托克斯 参数项，便可以计算出理想的斯托克斯偏振器 逆响应率矩阵。虽然斯托克斯测偏振响应率矩 阵 不是矩形的，因此并非是不可逆，但是它 仍然有一些有用的解。方程(5)给出了其中的一 个解，该解对每一个响应的加权都是相同的。 『}j}i1] Dr ～ = l【 0—1 0 1 J (5) 一1 0 1 0 J 数皿 1将在敏感器定标期间确定 这种定标 的数据将通过将一个线栅偏振器放在黑体源前 面然后以几个偏振器旋转角收集敏感器响应数 据的方法记录下来 计算出的黑体源斯托克斯 参数将被用来以多变量回归解析方式求导斯托 克斯测偏振响应率矩阵。
且l 且2 凰 见 0r = 一 五式中， 为导出的输入光源的斯托克斯矢量 ( m )， =斯托克斯偏振器逆 响应率矩阵(无单位)，真为一个测量 组”的超 光谱成像偏振计响应矢量(Ⅳ一一 sr一 m一 )。 这些敏感器响应率模型可以将像元响应及 偏振结果变换成真实的景物值。它们包含了用辐 射度响应率方程和超光谱偏振计逆响应率矩阵 不能表达的响应率域。这些包括光谱响应率、 时间响应率、空间响应率以及每个像元的测量 不确定性模型。 j；；垢5。 栅 ． ．． 二 几何 斑★小 ． ⋯ 。嘶零＼謇 -- 一： ◇ @ - t： ： 一 ． 儿； 一0．D57 0．000 O．晒7 O．Tij ． ． 吾 小 f - 瓣小 苦耋电 aO。．^。 目5 厂 径-^+向满0同．龅垢7轴量 身审 0．2 口 a． 。己 0、 c、06 口．薜 口．j 嘟半径 I光班大小 秽 嚣 空闻平面光斑田身折 l i ，7 l WV1 3 " ：2、5 WV3：3．5 1 lhjE●H 图6 光斑图分析 图7 超光谱成像偏振计被安装在FISTA飞机上

6 性能模型化 假定这一设计现有的模式性质，该系统的 光学性能是非常好的。图6示出了该系统的光 斑图分析。虽然离轴角的光学性能略微有些下 降，但是这对于我们的测量来说已经足够了。

7 小结 1998年5月11日和12 15．超光谱成像偏振 计被安装在了红外特征技术实验飞行(FISTA) 飞机上，并在随后的两周内进行了飞行。在这些 飞行中，超光谱成像偏振计不是主要敏感器， 所以这些飞行没有为我们提供云测量场景。但 是，在偶然遇到云形成时，我们获取了一些数 据， 目前我们正在对这些数据进行分析。超光 谱成像偏振计定于今夏晚些时候进行专门的云 测量飞行。